Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Электромагнитное моделирование двухмодового многочастотного облучателя зеркальной антенны с компенсацией боковых лепестков диаграммы направленности

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрены вопросы построения антенной системы многочастотного пассивного радиолокационного измерительного комплекса с компенсацией боковых лепестков диаграммы направленности. Приведены результаты экспериментальных исследований направленных свойств многочастотного двухмодового облучателя. Представлены результаты электромагнитного моделирования характеристик прохождения сигналов в предлагаемом многочастотном облучателе

Для цитирования:


Ростокин И.Н., Федосеева Е.В., Ростокина Е.А. Электромагнитное моделирование двухмодового многочастотного облучателя зеркальной антенны с компенсацией боковых лепестков диаграммы направленности. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(1):60-66.

For citation:


Rostokin I.N., Fedoseeva E.V., Rostokina E.A. Electromagnetic modelling of a dual-mode multi-frequency feed horn of a reflector antenna with compensation for radiation pattern side lobes. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2017;(1):60-66. (In Russ.)

Структурная схема многочастотного двухмодового облучателя

Основным требованием к антенне каждого частотного канала пассивной радиолокаци­онной системы является формирование двух выходных сигналов: основного измерительного и дополнительного сигнала компенса­ции. Уровень последнего в основном опреде­ляется адекватным основному каналу прие­мом радиошумового излучения через область рассеяния диаграммы направленности (ДН) основного антенного канала. Реализация двухканального приема с указанными харак­теристиками возможна при работе в двухмо­довом режиме - на модах H11 и E01 круглого волновода с последующим разделением мод в приемном питающем волноводе антенны (модовом разделителе) [1, 2].

Модовый разделитель каждого частот­ного диапазона, структурная схема которого приведена на рис. 1, выполнен на основе круг­лого волновода, к которому подключены три волновода - выходы антенны. В совокупности с круглым волноводом первый и второй антен­ные каналы (41 ОСН ГОР и 42 ОСН ВЕРТ) образуют выход антенны, осуществляющей прием на волне H11 на двух ортогональных поляризациях. Третий антенный канал (42) принимает сигнал на волне E01.

 

Рис. 1. Структурная схема многоволнового двухмодового облучателя; МФ - модовый фильтр

 

Антенный облучатель работает следую­щим образом. Широкополосный или шумовой сигнал подается в круглый волновод, в котором возбуждаются волны H11 и E01. Трансформа­тор типов волн H11 → H10 представляет собой перпендикулярное подключение волновода (например, прямоугольного) к боковой стенке круглого волновода, в которой имеется прямо­угольное окно. Его широкая стенка парал­лельна оси круглого волновода, а размеры ограничены поперечным сечением подклю­ченного волновода. В таком трансформаторе осуществляется ответвление энергии, пере­носимой волной H11, и подача ее на выход второго плеча. Структура поля волны E01 в перпендикулярном плече в виде прямоуголь­ного волновода не может возбудить волну H10, поскольку составляющие вектора E напряжен­ности электрического поля параллельны узкой стенке, одинаковы по амплитуде и направлены в противоположные стороны. Режекторный фильтр, например, в виде проводящего коль­ца (рис. 2, б) в поперечном сечении круглого волновода препятствует прохождению волны H11 и пропускает на вход трансформатора E01 → H10 только энергию, переносимую вол­ной E01. Трансформатор типов волн E01 → H10 представляет, например, перпендикулярное подключение прямоугольного волновода со стороны широкой стенки к круглому волново­ду. Таким образом, на выходе трансформатора (третий канал А3) выделяется сигнал, пропор­циональный только энергии волны E01 [3].

 

Рис. 2. Вариант практической реализации многоволнового двухмодового облучателя зеркальной антенны: а - внешний вид; б - внутреннее строение

 

Способ возбуждения осесимметричной волны типа E01 в круглом волноводе от прямо­угольного волновода с волной типа H10 заклю­чается в следующем. Прямоугольный волновод соединяется с круглым волноводом через по­перечное прямоугольное отверстие (рис. 2, б). Для лучшего возбуждения волны типа E01 круг­лый волновод с одной стороны закорачивается на расстоянии λ2 E01/2 от центра возбуждаю­щего прямоугольного отверстия.

Для подавления паразитной волны низ­шего типа H11, которая также возбуждается в области соединения круглого и прямоуголь­ного волновода, в короткозамкнутом отрезке круглого волновода располагают тонкое метал­лическое кольцо. Периметр кольца выбирают близким к λ0, чтобы волна типа H11 возбуж­дала в нем резонансные колебания с одной вариацией тока по периметру. Такое резонанс­ное кольцо действует на волну H11 подобно короткозамыкателю. Расположив кольцо на расстоянии λ2 H11/4 от центра щели, удается эффективно подавить волну H11 в круглом волноводе. На волну типа E01, силовые линии электрического поля которой радиальны и ле­жат в плоскости кольца, резонансное кольцо влияния практически не оказывает [4].

Кольцевой фильтр отражает волны ти­пов H11 и H10. Для волны типа H11 кольцо с периметром (1,1...1,2)λ является резонансной системой, полностью отражающей волну. Для этой волны оно эквивалентно двум полуколь­цам длиной, приблизительно равной λ/2 ка­ждое, т. е. полуволновым резонаторам, разом­кнутым на концах. С увеличением толщины кольца возрастают ширина частотной полосы фильтра для волны H11 и отношение периме­тра к резонансной длине волны, также растет и отражение пропускаемых фильтром волн.

Кольцо пропускает волну типа E01, у кото­рой Εφ = 0; малый коэффициент отражения этой волны определяется прежде всего малой площадью кольца в поперечном сечении вол­новода [5].

Исследование направленных свойств многочастотного двухмодового облучателя

В качестве объекта исследования были выбра­ны двухмодовые облучатели двухканальных двухмодовых антенн. Результаты математи­ческого моделирования ДН указанных антенн для двух каналов: основного измерительного (ОСН-канал) и дополнительного формиро­вания сигнала компенсации (ДОП-канал) - представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. Результаты математического моделирования ДН многоволнового двухмодового облучателя для диапазонов 7,5 (а), 3,2 (б) и 1,35 см (в): 1 - ОСН-канал; 2 - ДОП-канал

 

Кроме численного моделирования ДН двухканальных антенн было выполнено экспе­риментальное исследование их направленных свойств. В экспериментах использовались полупроводниковые генераторы шума производ­ства НПП «Исток» М31305-1 для диапазонов 7,5 и 3,2 см, М31305-4 для диапазона 1,35 см. Генерируемая шумовая мощность достигает 33 дБ относительно kT0. Спектральная плот­ность мощности шума генераторов изменялась с помощью волноводного плавного аттенюато­ра от 0 до -30 дБ. Результаты эксперименталь­ных измерений ДН двухканальных антенн по радиотепловому излучению полупроводнико­вых генераторов шума (ГШ) на лавинно-про­летных диодах, используемых в качестве то­чечного излучателя, находящегося в дальней зоне антенны, соответствующих диапазонов представлены на рис. 4.

 

Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований ДН многоволнового двухмодового облучателя для диапазонов 7,5 (а), 3,2 (б) и 1,35 см (в): 1 - ОСН-канал; 2 - ДОП-канал

 

Результаты экспериментальных иссле­дований направленных свойств двухканаль­ных антенн показали хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных, что подтвердило возможность реализации требу­емых характеристик направленности для формирования сигналов компенсации адекватных помеховым составляющим входных сигналов системы в трех указанных частотных диапа­зонах [6].

Моделирование характеристик антенного устройства пассивной радиолокационной системы

В соответствии с геометрическими размера­ми антенного устройства, определенными из условий его функционирования в двухмодо­вом режиме, в программе Microwave Studio была построена модель для оценки условий прохождения входных сигналов в трех после­довательных секциях.

На рис. 5 отображены результаты моде­лирования характеристик первой секции ан­тенного устройства. Сводные данные по всем трем секциям представлены в таблице.

 

Рис. 5. Частотные зависимости коэффициента передачи основного (а) и дополнительного (б) каналов и коэффициента изоляции между основным и дополнительным каналами (в) первой секции антенного устройства

 

 

Характеристики антенного устройства трехдиапазонной пассивной радиолокационной системы с компенсацией влияния фонового излучения

Центральная частота диапазона, ГГц

Коэффициент передачи основных каналов, дБ

Коэффициент изоляции между основным и дополнительным каналом, дБ

Первая секция антенного устройства

3,5

-1,5

-25

10

-35

-

22

-30

-

Вторая секция антенного устройства

3,5

-55

-100

10

-1,0

-

22

-38

-

Третья секция антенного устройства

3,5

-60

-

10

-55

-

22

-1,5

-80

Заключение

Полученные результаты моделирования ха­рактеристик антенного устройства трехди­апазонной пассивной радиолокационной системы с компенсацией фоновых шумов подтверждают возможность реализовать ча­стотное разделение сигналов трех диапазо­нов при последовательном прохождении трех секций в основных и дополнительных каналах при соосном приеме излучения на общую апертуру зеркальной антенны.

В представленном антенном устройстве трехдиапазонной пассивной радиолокацион­ной системы решена задача компенсации вли­яния фоновых шумов в каждом частотном диапазоне при формировании двух выходных (основного измерительного и дополнитель­ного компенсации) сигналов в каждой секции антенного устройства и реализации компен­сационного принципа приема радиоизлуче­ния.

Сформулированы основные требования к антенному устройству пассивной радиолока­ционной системы с одновременным соосным приемом на общую апертуру в трех частотных диапазонах с компенсацией влияния фонового излучения окружающего пространства.

Определена структура трехсекционного антенного устройства с формированием ос­новного измерительного сигнала и сигнала компенсации в каждом из трех частотных диапазонов и показана необходимость установки частотных волноводных фильтров низких ча­стот в первых двух секциях для решения за­дачи частотного разделения сигналов при их последовательном выделении в трех секциях антенного устройства.

Приведены результаты моделирования характеристик прохождения сигналов в антен­ном устройстве, полученные в программе элек­тродинамического моделирования Microwave Studio.

Получены частотные зависимости ко­эффициентов передачи основного и дополни­тельного антенных каналов и коэффициента их взаимной развязки.

Обобщены результаты моделирования параметров прохождения сигналов в трех сек­циях антенного устройства, приведены их зна­чения на центральных частотах диапазонов.

Список литературы

1. Федосеева Е.В., Щукин Г.Г. Вопросы метрологического обеспечения радиотеплолокационных измерений в условиях действия внешних шумовых помех. Муром: Изд.-пол. центр МИВлГУ, 2012. 104 с.

2. Федосеева Е.В., Щукин Г.Г. Погрешность абсолютных радиотеплолокационных измерений при неоднородном фоновом шуме // Научный вестник МГТУ ГА. 2012. Вып. 186. С. 43-48.

3. Патент на изобретение № 2300831. Способ снижения уровня шума антенны и двухмодовая апертурная антенна // Е.В. Федосеева, Е.А. Ростокина, И.Н. Ростокин. Опубл.:10.06.2007. Бюл. № 16. 6 с.

4. Патент на полезную модель № 98820. Радиометрическая система с компенсацией внешних помех и нестабильности коэффициентапередачи системы // Е.В. Федосеева, И.Н. Ростокин, П.А. Ечин. Опубл.: 27.10.2010. Бюл.№ 30. 2 с.

5. Патент на полезную модель № 122185. Модуляционный радиометр двухканальной радиометрической системы с программно-аппаратным модулем // Е.В. Федосеева, П.А. Ечин, И.Н. Ростокин, А.А. Молотков, А.А. Федосеев. Опубл.: 20.11.2012. Бюл. № 32. 2 с.

6. Ростокин И.Н., Федосеева Е.В., Ростокина Е.А. Радиометрическая система дистанционного зондирования атмосферы // Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти Н.А. Арманда. Сб. докладов III Всерос. науч. конф. (Муром,28 июня - 1 июля 2010 г.). Муром: Изд.-пол. центр МИВлГУ, 2010. С. 263-266.


Об авторах

И. Н. Ростокин
АО «Муромский завод радиоизмерительных приборов»
Россия


Е. В. Федосеева
Муромский институт (филиал) федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
Россия


Е. А. Ростокина
Муромский институт (филиал) федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
Россия


Для цитирования:


Ростокин И.Н., Федосеева Е.В., Ростокина Е.А. Электромагнитное моделирование двухмодового многочастотного облучателя зеркальной антенны с компенсацией боковых лепестков диаграммы направленности. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(1):60-66.

For citation:


Rostokin I.N., Fedoseeva E.V., Rostokina E.A. Electromagnetic modelling of a dual-mode multi-frequency feed horn of a reflector antenna with compensation for radiation pattern side lobes. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2017;(1):60-66. (In Russ.)

Просмотров: 60


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)